Windkraftanlage

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Hintergrund

Eine Windkraftanlage ist eine Maschine, die die kinetische Energie des Windes in rotierende mechanische Energie umwandelt, die dann zur Verrichtung von Arbeit verwendet wird. Bei fortgeschritteneren Modellen wird die Rotationsenergie mithilfe eines Generators in Elektrizität, die vielseitigste Energieform, umgewandelt.

Seit Jahrtausenden nutzen Menschen Windmühlen, um Wasser zu pumpen oder Getreide zu mahlen. Noch bis ins 20. Jahrhundert hinein wurden in amerikanischen Häusern und Ranches hohe, schlanke, mehrflügelige Windturbinen komplett aus Metall verwendet, um Wasser in die Hausinstallation oder in die Viehtränke zu pumpen. Nach dem Ersten Weltkrieg wurde mit der Entwicklung von Windkraftanlagen zur Stromerzeugung begonnen. Marcellus Jacobs erfand 1927 einen Prototyp, der ein Radio und ein paar Lampen mit Strom versorgen konnte, aber sonst wenig. Als später die Nachfrage nach Strom stieg, wurden die kleinen, unzureichenden Windräder von Jacobs außer Betrieb genommen.

Die erste in den USA gebaute Großwindkraftanlage wurde 1934 von Palmer Cosslett Putnam konzipiert; er vollendete es 1941. Die Maschine war riesig. Der Turm war 33,5 Meter hoch und seine zwei Edelstahl Klingen hatten Durchmesser von 58 Yards (53 Meter). Die Windkraftanlage von Putnam könnte 1.250 Kilowatt Strom produzieren oder genug, um den Bedarf einer Kleinstadt zu decken. Es wurde jedoch 1945 wegen eines mechanischen Versagens aufgegeben.

Mit dem Ölembargo der 1970er Jahre begannen die USA erneut, die Möglichkeit zu prüfen, billigen Strom aus Windkraftanlagen zu produzieren. 1975 war der Prototyp Mod-O in Betrieb. Dabei handelte es sich um eine 100-Kilowatt-Turbine mit zwei 19-Meter-Schaufeln. Es folgten weitere Prototypen (Mod-OA, Mod-1, Mod-2 usw.), jeder größer und leistungsfähiger als der vorherige. Derzeit strebt das Energieministerium der Vereinigten Staaten von Amerika an, mehr als 3.200 Kilowatt pro Maschine zu erreichen.

Es gibt viele verschiedene Modelle von Windkraftanlagen, von denen das auffälligste die vertikale Achse Darrieus ist, die wie ein Schneebesen geformt ist. Das von kommerziellen Herstellern am meisten unterstützte Modell ist jedoch eine Horizontalachsenturbine mit einer Leistung von rund 100 Kilowatt und drei Blättern von nicht mehr als 30 Metern Länge. Windkraftanlagen mit drei Blättern drehen sich gleichmäßiger und sind leichter auszubalancieren als solche mit zwei Blättern. Während größere Windturbinen mehr Energie produzieren, erleiden die kleineren Modelle weniger wahrscheinlich größere mechanische Ausfälle und sind daher wirtschaftlicher zu warten.

Windparks sind überall in den Vereinigten Staaten entstanden, vor allem in Kalifornien. Windparks sind riesige Ansammlungen von Windkraftanlagen, die in Gebieten mit günstiger Windproduktion aufgestellt sind. Die große Anzahl miteinander verbundener Windkraftanlagen ist notwendig, um ausreichend Strom für den Bedarf einer großen Bevölkerung zu produzieren. Derzeit produzieren 17.000 Windturbinen in Windparks mehrerer Windenergieunternehmen jährlich 3,7 Milliarden Kilowattstunden Strom, genug, um den Energiebedarf von 500.000 Haushalten zu decken.

Rohstoffe

Eine Windkraftanlage besteht aus drei grundlegenden Teilen:dem Turm, der Gondel und den Rotorblättern. Der Turm ist entweder ein stählerner Gitterturm ähnlich wie ein Elektromast oder ein Stahlrohrturm mit einer Innenleiter zur Gondel. Der erste Schritt beim Bau einer Windkraftanlage ist die Errichtung des Turms. Obwohl die Stahlteile des Turms außerhalb des Standorts in einer Fabrik hergestellt werden, werden sie in der Regel vor Ort montiert. Die Teile werden vor dem Aufstellen miteinander verschraubt und der Turm wird bis zum Aufstellen waagrecht gehalten. Ein Kran hebt den Turm in Position, alle Schrauben werden angezogen und die Stabilität wird nach Fertigstellung getestet.
Als nächstes wird die Glasfasergondel montiert. Sein Innenleben – Hauptantriebswelle, Getriebe sowie Blattneigungs- und Gierungssteuerung – wird in einer Fabrik montiert und auf einem Grundrahmen montiert. Die Gondel wird dann um die Ausrüstung herum verschraubt. Auf der Baustelle wird die Gondel auf den fertigen Turm gehoben und verschraubt. Die meisten Türme haben keine Abspannseile, die zur Unterstützung dienen, und die meisten bestehen aus Stahl, der zum Schutz mit einer Zinklegierung beschichtet wurde, obwohl einige stattdessen lackiert sind. Der Turm einer typischen amerikanischen Turbine ist etwa 25 Meter hoch und wiegt etwa 19.000 Pfund.

Die Gondel ist eine starke, hohle Hülle, die das Innenleben der Windkraftanlage enthält. Die Gondel besteht normalerweise aus Glasfaser und enthält die Hauptantriebswelle und das Getriebe. Es enthält auch die Blattneigungssteuerung, ein hydraulisches System, das den Winkel der Blätter steuert, und den Gierantrieb, der die Position der Turbine relativ zum Wind steuert. Der Generator und die elektronische Steuerung gehören zur Standardausrüstung, deren Hauptkomponenten Stahl und Kupfer sind. Eine typische Gondel für eine aktuelle Turbine wiegt ungefähr 22.000 Pfund.

Bei den Klingen findet der vielfältigste Materialeinsatz und die meisten Experimente mit neuen Materialien statt. Obwohl das vorherrschende Material für die Rotorblätter kommerzieller Windkraftanlagen Glasfaser mit einem hohlen Kern ist, werden auch leichte Hölzer und Aluminium verwendet. Holzklingen sind massiv, aber die meisten Klingen bestehen aus einer Haut, die einen Kern umgibt, der entweder hohl ist oder mit einer leichten Substanz wie Kunststoffschaum oder Waben- oder Balsaholz gefüllt ist. Eine typische Glasfaserklinge ist ungefähr 15 Meter lang und wiegt ungefähr 2.500 Pfund.

Zu den Windkraftanlagen gehört auch eine Utility-Box, die die Windenergie in Strom umwandelt und sich am Fuß des Turms befindet. Verschiedene Kabel verbinden die Utility-Box mit der Gondel, während andere die gesamte Turbine mit nahegelegenen Turbinen und einem Transformator verbinden.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Bevor über den Bau einzelner Windenergieanlagen nachgedacht werden kann, müssen die Hersteller ein geeignetes Gebiet für die Aufstellung von Windparks festlegen. Der Wind muss konstant sein und ihre Geschwindigkeit muss regelmäßig über 25 Kilometer pro Stunde liegen. Wenn die Winde zu bestimmten Jahreszeiten stärker sind, sollten sie während Zeiten mit maximalem Stromverbrauch am stärksten sein. Im kalifornischen Altamont Pass zum Beispiel, dem Standort des größten Windparks der Welt, erreicht die Windgeschwindigkeit im Sommer bei hoher Nachfrage Spitzenwerte. In einigen Gebieten Neuenglands, in denen Windparks in Erwägung gezogen werden, sind die Winde im Winter am stärksten, wenn Die Gondel ist eine starke, hohle Hülle, die das Innenleben der Windkraftanlage wie den Hauptantrieb enthält Welle und Getriebe. Es enthält auch die Blattneigungssteuerung, ein hydraulisches System, das den Winkel der Blätter steuert, und den Gierantrieb, der die Position der Turbine relativ zum Wind steuert. Eine typische Gondel für eine aktuelle Turbine wiegt ungefähr 22.000 Pfund. Heizung erhöht den Stromverbrauch. Windparks funktionieren am besten in offenen Gebieten mit leicht hügeligem Land, das von Bergen umgeben ist. Diese Gebiete werden bevorzugt, weil die Windturbinen auf Bergkämmen platziert werden können und von Bäumen und Gebäuden frei bleiben und die Berge den Luftstrom konzentrieren, wodurch ein natürlicher Windkanal mit stärkeren und schnelleren Winden entsteht. Windparks müssen auch in der Nähe von Versorgungsleitungen platziert werden, um die Übertragung des Stroms an das lokale Kraftwerk zu erleichtern.

Vorbereitung der Website

• 1 Überall, wo ein Windpark gebaut werden soll, werden die Straßen für den Transport von Teilen geräumt. An jedem Windkraftanlagenstandort wird das Land abgestuft und die Pad-Fläche eingeebnet. Ein Beton Anschließend wird das Fundament in den Boden gelegt, gefolgt von der Installation der Erdkabel. Diese Kabel verbinden die Windkraftanlagen in Reihe untereinander und auch alle mit der Fernsteuerzentrale, wo der Windpark überwacht und der Strom an das Energieversorgungsunternehmen gesendet wird.

Turm errichten

• 2 Obwohl die Stahlteile des Turms außerhalb des Standorts in einer Fabrik hergestellt werden, werden sie normalerweise vor Ort montiert. Die Teile werden vor dem Aufstellen miteinander verschraubt und der Turm wird bis zum Aufstellen waagrecht gehalten. Ein Kran hebt den Turm in Position, alle Schrauben werden angezogen und die Stabilität wird nach Fertigstellung getestet.

Gondel

• 3 Die Glasfasergondel wird wie der Turm in einer Fabrik außerhalb des Standorts hergestellt. Im Gegensatz zum Turm wird er jedoch auch im Werk zusammengebaut. Sein Innenleben – Hauptantriebswelle, Getriebe sowie Blattneigungs- und Gierungssteuerung – wird zusammengebaut und dann auf einem Grundrahmen montiert. Die Gondel wird dann verschraubt Die Utility-Box für jede Windkraftanlage und das elektrische Kommunikationssystem für den Windpark werden gleichzeitig mit der Platzierung von die Gondel und die Klingen. Kabel verlaufen von der Gondel zur Utility-Box und von der Utility-Box zur Fernsteuerzentrale. rund um die Ausrüstung. Auf der Baustelle wird die Gondel auf den fertigen Turm gehoben und verschraubt.

Rotorblätter

• 4 Aluminiumblätter werden durch Verschrauben von Aluminiumblechen hergestellt, während Holzblätter geschnitzt werden, um einen aerodynamischen Propeller zu bilden, der im Querschnitt einem Flugzeugflügel ähnelt.
• 5 Die weitaus meisten Klingen bestehen jedoch aus Fiberglas. Die Herstellung von Glasfaser ist ein mühsamer Vorgang. Zuerst wird eine Form vorbereitet, die wie eine Muschelschale in zwei Hälften geteilt ist, jedoch die Form einer Klinge hat. Als nächstes wird eine Glasfaser-Harz-Verbundmischung auf die Innenflächen der Form aufgetragen, die dann geschlossen wird. Die Glasfasermischung muss dann mehrere Stunden trocknen; Dabei hilft eine luftgefüllte Blase in der Form, dass die Klinge ihre Form behält. Nachdem die Glasfaser getrocknet ist, wird die Form geöffnet und die Blase entfernt. Die letzte Vorbereitung der Klinge umfasst das Reinigen, Schleifen, Versiegeln der beiden Hälften und das Lackieren.
• 6 Die Schaufeln werden normalerweise an der Gondel verschraubt, nachdem diese auf dem Turm platziert wurde. Da die Montage am Boden einfacher zu bewerkstelligen ist, werden bei einer dreizinkigen Klinge gelegentlich zwei Klingen an der Gondel festgeschraubt, bevor sie angehoben wird, und die dritte Klinge wird angeschraubt, nachdem die Gondel an Ort und Stelle ist.

Installation von Kontrollsystemen

• 7 Gleichzeitig mit der Platzierung von Gondel und Rotorblättern wird die Utility-Box für jede Windkraftanlage und das elektrische Kommunikationssystem für den Windpark installiert. Kabel verlaufen von der Gondel zur Utility-Box und von der Utility-Box zur Fernsteuerzentrale.

Qualitätskontrolle

Im Gegensatz zu den meisten Herstellungsprozessen erfordert die Produktion von Windkraftanlagen nur sehr wenige Bedenken hinsichtlich der Qualitätskontrolle. Da die Massenproduktion von Windkraftanlagen noch relativ neu ist, wurden keine Standards festgelegt. In diesem Bereich gibt es derzeit sowohl seitens der Regierung als auch der Hersteller Anstrengungen.

Obwohl davon ausgegangen wird, dass Windturbinen im Dienst 90 Prozent der Zeit funktionieren, treten immer noch viele strukturelle Mängel auf, insbesondere bei den Rotorblättern. Risse treten manchmal kurz nach der Herstellung auf. Mechanisches Versagen aufgrund von Ausrichtungs- und Montagefehlern ist üblich. Elektrische Sensoren fallen häufig aufgrund von Überspannungen aus. Nicht-hydraulische Bremsen sind in der Regel zuverlässig, aber hydraulische Bremssysteme verursachen oft Probleme. Es werden Pläne entwickelt, um vorhandene Technologien zu nutzen, um diese Schwierigkeiten zu lösen.

Windkraftanlagen haben regelmäßige Wartungspläne, um Ausfälle zu minimieren. Alle drei Monate werden sie inspiziert, und alle sechs Monate ist eine große Wartungsüberprüfung geplant. Dabei werden in der Regel die beweglichen Teile geschmiert und der Ölstand im Getriebe kontrolliert. Es ist auch möglich, dass ein Arbeiter die elektrische Anlage vor Ort testet und Probleme mit dem Generator oder den Anschlüssen feststellt.

Umweltvorteile
und Nachteile

Eine Windkraftanlage, die Strom aus unerschöpflichen Winden erzeugt, verursacht keine Umweltverschmutzung. Im Vergleich dazu produzieren Kohle, Öl und Erdgas ein bis zwei Pfund Kohlendioxid (eine Emission, die zum Treibhauseffekt und zur globalen Erwärmung beiträgt) pro produzierter Kilowattstunde. Bei der Nutzung von Windenergie für den Strombedarf wird die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu diesem Zweck reduziert. Die derzeitige jährliche Stromproduktion von Windkraftanlagen (3,7 Milliarden Kilowattstunden) entspricht vier Millionen Barrel Öl oder einer Million Tonnen Kohle.

Windkraftanlagen sind nicht völlig frei von Umweltnachteilen. Viele empfinden sie als unästhetisch, insbesondere wenn riesige Windparks in der Nähe unberührter Wildnisgebiete gebaut werden. Vogeltötungen wurden dokumentiert, und die surrenden Klingen erzeugen ziemlich viel Lärm. Zu den Bemühungen, diese Auswirkungen zu reduzieren, gehören die Auswahl von Standorten, die nicht mit Wildnisgebieten oder Vogelzugrouten zusammenfallen, und die Erforschung von Möglichkeiten zur Lärmreduzierung.

Die Zukunft

Für Windkraftanlagen kann die Zukunft nur besser werden. Das Potenzial der Windenergie ist weitgehend ungenutzt. Das US-Energieministerium schätzt, dass bis 1995 das Zehnfache der gegenwärtig produzierten Strommenge erreicht werden kann. Bis 2005 ist die siebzigfache Stromproduktion möglich. Wenn dies gelingt, würden Windturbinen 10 Prozent der Stromproduktion der Vereinigten Staaten ausmachen.

Derzeit wird geforscht, um das Wissen über Windressourcen zu erweitern. Dabei werden immer mehr Gebiete auf die Möglichkeit geprüft, Windparks dort zu platzieren, wo der Wind zuverlässig und stark weht. Es ist geplant, die Lebensdauer der Maschine von fünf Jahren auf 20 bis 30 Jahre zu erhöhen, die Effizienz der Rotorblätter zu verbessern, eine bessere Steuerung bereitzustellen, Antriebsstränge zu entwickeln, die länger halten und einen besseren Überspannungsschutz und eine bessere Erdung ermöglichen. Das US-Energieministerium hat kürzlich einen Zeitplan aufgestellt, um die neuesten Forschungsergebnisse umzusetzen, um Windkraftanlagen mit einem höheren Wirkungsgrad als derzeit möglich zu bauen. (Der Wirkungsgrad einer idealen Windkraftanlage beträgt 59,3 Prozent. Das heißt, 59,3 Prozent der Windenergie können eingefangen werden. Die tatsächlich genutzten Turbinen haben einen Wirkungsgrad von etwa 30 Prozent.) Das US-Energieministerium hat auch drei Unternehmen mit der Forschung beauftragt Möglichkeiten, mechanische Fehler zu reduzieren. Dieses Projekt begann im Frühjahr 1992 und wird sich bis zum Ende des Jahrhunderts erstrecken.

Windkraftanlagen werden in den kommenden Jahren immer häufiger eingesetzt. Der weltweit größte Hersteller von Windenergieanlagen, US Windpower, will bis 1995 von 420 Megawatt (4.200 Maschinen) auf 800 Megawatt (8.000 Maschinen) ausweiten. Bis zum Jahr 2000 sollen es 2.000 Megawatt (20.000 Maschinen) sein Auch die Hersteller von Windkraftanlagen planen, die produzierten Stückzahlen zu erhöhen. Um das Potenzial von Windenergieanlagen zu diskutieren, haben sich internationale Gremien aus mehreren Industrienationen gebildet. Es wird auch versucht, Entwicklungsländer mit kleinen Windturbinen auszustatten, ähnlich denen, die Marcellus Jacobs in den 1920er Jahren gebaut hat. Dänemark, das bereits 70 bis 80 Prozent des europäischen Windstroms produziert, entwickelt Pläne zum Ausbau der Windkraftanlagenfertigung. Die Jahrhundertwende sollte Windturbinen sehen, die richtig platziert, effizient, langlebig und zahlreich sind.